NASA chuẩn bị cho kế hoạch đưa các lò phản ứng hạt nhân lên Sao Hỏa

Khi NASA hoạch định sứ mệnh để đưa con người lên sao Hoả, một trong những nhu cầu kỹ thuật chính mà cơ quan này đang thực hiện giải pháp cung cấp đủ năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của con người trên bề mặt hành tinh Đỏ như môi trường sống và các thiết bị điện khác. Một trong các lựa chọn bao gồm: Lò phản ứng Hạt nhân phân hạch nhỏ, nó hoạt động bằng cách phân tách các nguyên tử Uranium để tạo ra nhiệt lượng, sau đó chuyển nhiệt lượng thành năng lượng điện.

Một chi nhánh phát triển công nghệ của NASA đã tài trợ một dự án có tên là Kilopower trong suốt ba năm, nhằm mục đích chứng minh tính khả thi của một hệ thống như vậy tại Khu vực An ninh Quốc gia Nevada gần Las Vegas. Hệ thống sẽ được bắt đầu kiểm tra vào tháng 9 và kết thúc vào tháng 1 năm 2018.

Lần cuối cùng NASA thử nghiệm một lò phản ứng phân hạch là trong các Hệ thống Phụ trợ Năng lượng hạt nhân năm 1960, hoặc gọi tắt là chương trình SNAP, nó là chương trình Phát triển hai loại hệ thống điện hạt nhân. Hệ thống đầu tiên là máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ  (RTGs )  nhiệt lượng phát ra từ sự phân rã tự nhiên của một nguyên tố phóng xạ, như plutoni. Các RTG đã được lắp đặc trong hàng chục tàu thám hiểm dò gian trong nhiều năm qua, bao gồm Robot tự hành Curiosity hiện đang khám phá sao Hỏa.

Công nghệ thứ hai được phát triển dưới dạng SNAP là một lò phản ứng phân hạch nguyên tử. SNAP-10A là nhà máy điện hạt nhân bay đầu tiên của Hoa Kỳ - và cho đến nay chỉ hoạt động trong không gian. Ra mắt vào ngày 3 tháng 4 năm 1965, SNAP-10A hoạt động trong 43 ngày, sản xuất 500 watt điện năng, trước khi một thiết bị không liên quan bị hỏng và kết thúc nhiệm vụ. Hiện nay phi thuyền không gian này vẫn còn trong quỹ đạo trái đất.

Nga đã phát triển lĩnh vực này mạnh mẽ hơn với tàu vũ trụ bay được cung cấp năng lượng từ lò phản ứng hạt nhân nhỏ, bao gồm 30 vệ tinh Radar trinh sát biển gọi là RORSAT, bay từ năm 1967 đến năm 1988 và các hệ thống TOPAZ có công suất cao hơn. TOPAZ là một từ viết tắt của Thermionic Experiment with Conversion in Active Zone. 

NASA đã tài trợ cho một số nỗ lực về công nghệ điện hạt nhân trong suốt 50 năm kể từ chương trình SNAP, nhưng các vấn đề về tài chính, chính trị và kỹ thuật đã cản trở sự phát triển. Cách đây ba năm,  Cơ quan Game Changing Development của NASA đã hỗ trợ cho chương trình Kilopower với mục tiêu xây dựng và thử nghiệm Lò phản ứng Hạt nhân nhỏ vào ngày 30 tháng 9 năm 2017 vào cuối năm tài khóa hiện tại. Dự án này tốn kém khoảng 15 triệu đô la.

Các bài kiểm tra vào tháng 9 nhằm xác nhận thiết kế và hiệu suất của Kilopower. Sau đó, NASA sẵn sàng tiếp tục phát triển một hệ thống thực sự để thử nghiệm trên sao Hỏa hoặc bất cứ nơi nào khác, Mason nói. Lò phản ứng thử nghiệm, có chiều cao khoảng 6,5 feet (1,9 mét), được thiết kế để sản xuất điện năng lên tới 1 kilowatt, nhưng để giảm chi phí, bộ phận kiểm tra không bao gồm toàn bộ động cơ Stirling để chuyển đổi năng lượng do Quá trình phân hạch thành nhiệt. Các máy mô phỏng nhiệt sẽ được sử dụng cho sự cân bằng của động cơ để xác minh sản lượng điện của lò phản ứng, Mason cho biết trong một cuộc phỏng vấn với Space.com.

Sự quan tâm của NASA đối với phân hạch lại trổi dậy sau một nghiên cứu năm 2010 về những lựa chọn cho các hệ thống RTG.

Mason cho biết: "Tại thời điểm đó, chúng tôi đang cố gắng tìm ra một lò phản ứng phân hạch loại nhỏ, có thể cung cấp công suất ra tương tự như các hệ thống phát điện đồng vị phóng xạ.

Các kỹ sư của NASA cho biết các cuộc thám hiểm của con người tới sao Hỏa sẽ đòi hỏi một hệ thống có khả năng tạo ra khoảng 40 kilowatt điện năng, đó là mức năng lượng cần thiết cho "khoảng tám ngôi nhà trên trái đất", theo cơ quan này. khối năng lượng hạt nhân RTG tích hợp trong Robot tự hành Curiosity được thiết kế để cung cấp khoảng 125 watt - mức năng lượng này ít hơn mức cần thiết để cấp nguồn cho một lò vi sóng - mặc dù mức năng lượng sẽ giảm dần khi chất plutonium phóng xạ bị phân hủy.

Năng lượng mặt trời là một lựa chọn khác, nhưng điều đó sẽ hạn chế khả năng phát điện, bởi vì khi Robot hoạt động ở những khu vực Ví dụ như trong miệng hố Shackleton Crater trên mặt trăng ( một ứng cử viên chính cho các cuộc đổ bộ lên mặt trăng do nguồn nước của nó gây hấp dẫn cho các nghiên cứu khoa học )  một khu vực hoàn toàn tối tăm. Trong khi các địa điểm có nhiều ánh nắng nhất trên bề mặt sao Hỏa chỉ nhận được khoảng 1/3 lượng ánh sáng mặt trời so với Trái Đất.

Các lò phản ứng phân hạch cũng có thể hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện thời tiết bất lợi, như bão bụi ở khắp mọi nơi trên sao Hỏa.

Mason cho biết: "Chúng tôi đã hạ cánh xuống một vài địa điểm thực sự tuyệt vời trên sao Hỏa và những thiết bị phất điện này có một số điểm đáng chú ý ... nhưng chúng sẽ làm hạn chế các nhiệm vụ của con người", Mason cho biết trong cuộc hội nghị Con người với sao Hỏa ở Washington, D.C.

Nhu cầu điện lớn nhất cho cuộc thám hiểm con người trong tương lai là nguồn điện năng để vận hành các thiết bị sản xuất nhiên liệu cần thiết như: không khí và nước, cộng với môi trường sống và sạc pin cho các máy móc và thiết bị khoa học. NASA dự kiến gửi bốn đến năm lò phản ứng phân hạch nhỏ, mỗi loại có khả năng tạo ra khoảng 10 kilowatt điện, cho sao Hỏa, Mason cho biết tại Hội nghị Thượng đỉnh Con người với sao Hỏa.

Các đối tác trong dự án Kilopower bao gồm Trung tâm nghiên cứu Glenn của NASA, Bộ Năng lượng, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Khu liên hợp An ninh Quốc gia Y12, nơi cung cấp uranium của lò phản ứng.